Proton spini nereden geliyor?

Protonu oluşturan üç kuarkın spinlerini toplamak, ilkesel olarak gayet mantıklı olsa da fizikçiler inatçı bir dengesizlikle karşı karşıyaydı. 1988’de CERN’de bulunan Avrupa Müon Ekibi (EMC) fizik camiasını sarsan bulgularını açıkladı. Kuarkların spinleri toplamı, proton spininden çok daha küçüktü. Bu keşif bir eşitliğin iki tarafındaki niceliklerin eşit olması düşüncesinin bile sorgulanmasına yol açtı.

EMC araştırmacılarının elde ettiği verilere göre üç kuarkın spinlerinin proton spinine katkısı en fazla %24 olabileceği gibi, bu katkı %4 düzeyine kadar da düşebiliyordu. Yani neredeyse hiç katkı yapmamaları bile mümkündü. Bu keşifle beraber “spin krizleri” ortaya çıkmış oldu.

CERN’de çalışan deneyimli fizikçi Gerhard Mallot o sıralarda herkesin ne kadar gergin olduğunu ve yapılan deneylerin tümünün hatalı olabileceği düşüncesinin, hatta temel kuram olan Kuantum Renk Dinamiğinin (QCD) yanlış olma olasılığının gündemde olduğunu hatırlıyor.

Protonun kuark yapısı.
İki tane yukarı kuark ve bir tane aşağı kuark. Güçlü kuvvet gluonlar sayesinde iletiliyor. Güçlü kuvvette üç tür yük var: Kırmızı, yeşil ve mavi. Aşağı kuarkın yeşil seçilmesi tamamen keyfi olup, “renk yükü”nün üç kuark arasında dolaşmakta olduğu düşünülür.

İlerleyen yıllarda Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde (SLAC), CERN’de ve DESY’de yapılan deneyler sonucunda kuarkların net spin katkısının %30 düzeyinde olduğu doğrulandı. Toplam proton spininin yaklaşık %70’i içinse hâlâ bir açıklama yoktu.

Physics World dergisinin Haziran 2015 tarihli sayısındaki makalesi ile Edwin Cartlidge, araştırmacıların o zamandan beri alternatif proton spini kaynakları bulma çabalarını ele alıyor. Gluon spini ya da kuarklar ile gluonların birlikte protonun spin ekseni çevresinde yaptıkları dönmeden kaynaklanma olasılıklarını inceleyen bilimciler hâlen doyurucu bir yanıt bulabilmiş değil.

Kuramcılar arasındaki ateşli tartışma, bileşenlerden hangisinin ne kadar katkı yapmış olabileceği üzerinde yoğunlaşıyor. New York’ta bulunan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki RHIC çarpıştırıcısından gelen son verilere bakılırsa, gluon spini başlıca katkıyı yapıyor olmalı. Yine de bu katkı oranı %40’larda kaldığından, Almanya Tubingen Üniversitesi’nden kuramcı Werner Vogelsang kriz modunun sürdüğünü belirtiyor.

Bir kısım bilimciye göre sorunun tam olarak çözülmesi için yeni bir makine gerek: Elektron-İyon Çarpıştırıcısı (EIC). Böyle bir aletin 140 GeV bölgesindeki çarpışma enerjilerine ulaşabileceği düşünülüyor.

Kaynak
*Bilimfili - "Proton spini nereden geliyor?"
http://bilimfili.com/proton-spini-nereden-geliyor/